專利名稱：燃燒合成用高壓合成設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃燒合成制備氮化鐵合金的高壓合成設備，特別 是一種制備氮化釩鐵的高壓合成設備。
背景技術：
"燃燒合成"是當今材料合成領域的高技術，燃燒合成是在1967 年前蘇聯(lián)科學院化學物理所的科學家研究火箭固體燃料燃燒時發(fā)現(xiàn) 的，經(jīng)過40多年的研究，燃燒合成已經(jīng)形成一門介于燃燒科學和材料 科學之間的新學科-"結(jié)構(gòu)宏觀動力學"。在國內(nèi)此項技術的研究始 于80年代后期，此項目在"八五"期間列入國家高技術863計劃，它 是當今材料合成領域內(nèi)的高技術，其合成原理是先利用外部所提供的 極少量能量，誘發(fā)高放熱反應體系的局部放熱化學反應，以形成反應 前緣的燃燒波，此后的合成反應在自身放熱的支持下再誘發(fā)臨近物料 的繼續(xù)化學反應，直到全部物料反應完畢。"燃燒合成"工藝的特點 是節(jié)能、高效、低成本，環(huán)保性能好。舉例說明釩鐵的氮化合成是 在高壓氮氣中進行的，它屬于"滲透燃燒合成"類型，在高壓氮的作 用下加快了合成反應的進行。在常壓下合成氮化釩鐵需要10 - 15小 時，而在高壓下只需10幾分鐘。
有關氮化燃燒合成用的高壓設備，國內(nèi)目前使用的是1992年由鋼 鐵研究總院與俄羅斯科學院宏觀結(jié)構(gòu)動力研究所簽訂合資建立高技 術陶瓷生產(chǎn)線而引進的30立升俄國最大容積的高壓燃燒合成生產(chǎn)設 備。此高壓合成器容積為30立升，直徑為200mm，長為1000mm,氮 氣的工作壓力為20Mpa,主要用于合成高技術陶瓷材料。此高壓合成 器的材質(zhì)為不銹鋼，高壓氮氣源為瓶裝氮氣，由帶點火電極的高壓筒 體及兩個螺紋密封端蓋組成，其中，裝料端的端蓋機械連接在高壓筒 體上，由一個液壓裝置來帶動，裝料后在液壓裝置的作用下，端蓋緊 蓋在高壓筒體口，然后再旋轉(zhuǎn)一定角度實行高壓密封。此高壓合成器主要根據(jù)一常規(guī)壓力表的壓力指示來了解與監(jiān)控材料合成的過程。此 高壓合成器的操作臺在高壓室外，儀表上有啟動液壓裝置的按鈕及電 點火用的自耦變壓器、電流表及電壓表，儀表旁邊有一個常規(guī)的壓力 表及手動卸壓閥，冷卻水的溫度可以從出水口用手監(jiān)測。
上述高壓合成器具有如下不足
1、 設備出現(xiàn)超壓時，完全依靠人工的觀察及手動卸壓來調(diào)控是 非常危險的；
2、 溫度是材料合成中的重要參數(shù)，該高壓合成器并未對此參數(shù) 進行測量；
3、 液壓裝置比較復雜，造價也高，在端蓋關閉時呈一弧線運動， 造成高壓密封圈的磨損而使壽命較低，必須經(jīng)常更換，影響生產(chǎn)的正 常進行。
值得注意的是目前我國正處于大搞基本建設時期，需要大量的 螺紋鋼筋等低合金鋼材，螺紋鋼筋在整個鋼材產(chǎn)量中的比重約為25 % ,目前國內(nèi)生產(chǎn)的螺紋鋼筋主要為II級螺紋鋼筋，如果把強度較低
的n級螺紋鋼筋都提高到m級螺紋鋼筋與國際接軌，就可以節(jié)約14% 的鋼材，因而有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前生產(chǎn)m級螺紋鋼筋
釆用釩氮合金或50釩鐵作為添加劑。1998年美國戰(zhàn)略礦物公司來華推 廣其釩氮合金產(chǎn)品后，我國的研究單位及鋼廠進行大量研究表明，在 鋼中加入釩氮合金元素后，對鋼的強化更有效，還可以節(jié)約30-40 %稀有昂貴釩元素的加入量。但由于釩氮合金以往從美國進口 ，而美 國也不轉(zhuǎn)讓其技術。近年來，我國經(jīng)過技術攻關，在美國碳還原后常 壓氮化工藝原理的基礎上也能生產(chǎn)出釩氮合金，并建立了一條年產(chǎn) 2000 ~ 2500噸的釩氮合金生產(chǎn)線，但其產(chǎn)量遠遠不能滿足國內(nèi)市場的 需求。2006年我國生產(chǎn)鋼筋總量為8000萬噸，每生產(chǎn)i萬噸m級螺紋 鋼筋需要加入7公斤釩氮合金，即使生產(chǎn)50%的III級螺紋鋼筋也需要 2.8萬噸的釩氮合金，因此50釩鐵仍為重要的合金添加劑，浪費了寶 貴的釩資源。大量的試驗表明，含氮釩鐵與釩氮合金一樣，用于生產(chǎn) III級螺紋鋼筋和節(jié)省釩資源與釩氮合金具有同等的效力。但目前用國 內(nèi)30立升容積的燃燒合成器生產(chǎn)含氮釩鐵，遠遠不能滿足大量的市場需求，故必須研究具有更高生產(chǎn)能力、造價更低的大容積燃燒合成用 高壓合成設備。

實用新型內(nèi)容
針對上述情形，本實用新型的目的在于提供一種功能更加完善、 生產(chǎn)能力更強、造價更低的生產(chǎn)氮化釩鐵的大型高壓合成設備。
為達到上述目的，本實用新型燃燒合成用高壓合成設備采用的技
術方案為 一種燃燒合成用高壓合成設備，包含有高壓缸體，高壓缸 體具有冷卻水套，其重點在于該高壓缸體的內(nèi)徑的范圍是300mm 至350mm,長度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升 至150立升。
該高壓缸體為一端密封另 一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體通過一端蓋 結(jié)構(gòu)螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)與高壓缸體的開口的密封通過等高 度平移密封。
該高壓缸體開口處設有高壓密封圏，該端蓋結(jié)構(gòu)包含與高壓密封 圈相抵靠的該高壓密封塞，該高壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺 塞，該高壓螺塞通過手輪旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過運行于軌道上的小車 承載，該小車高度可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸
體開口等高，實現(xiàn)平移密封。
該高壓缸體內(nèi)連^姿測溫熱電耦。
該高壓缸體連接真空泵，該真空泵連接有真空表及電磁真空放氣閥。
該高壓缸體連接有高壓安全閥。 該高壓缸體連接有壓力傳感器。
該高壓缸體的兩端設有進水口，冷卻水套為雙向水冷結(jié)構(gòu)，于該 冷卻水套的出水口處設有冷卻水溫報警器。
該高壓缸體的材質(zhì)為16Mn鋼。 本實用新型燃燒合成用高壓合成設備的有益效果如下
1、高壓合成器的內(nèi)徑和長度擴大后，材料單爐合成量比30立升 的高壓合成器提高了3 5倍。根據(jù)目前大量生產(chǎn)的記錄數(shù)據(jù)，高壓合成器的直徑擴大到
350mm、長度增加到1500mm，采用此設備生產(chǎn)氮化釩鐵的單爐產(chǎn)量 可以達到80-100公斤。
2、 由于降低了設備的工作壓力，故設備的材質(zhì)可采用16Mn鋼代 替不銹鋼，使得生產(chǎn)氮化釩鐵高壓合成設備的造價大幅度降低。
3、 由于高壓合成器的內(nèi)徑擴大，單位截面內(nèi)合成的產(chǎn)品量比30 立升高壓合成器提高了2.25倍，而單位輻射熱損失只增加了1.5倍，故 大容積合成器合成材料時內(nèi)部溫度會升高。以往由于30立升的高壓合 成器合成材料時內(nèi)部熱量不足，以50釩鐵為原料時，必須加入一定量 的鋁粉以補充熱量才能使燃燒合成順利進行。而大容積合成器在不添 加鋁粉情況下，合成反應就能順利進行。這樣不僅使合成工藝更加簡 化，而且降低了產(chǎn)品中的鋁(雜質(zhì))含量。
4、 成品破碎時，約有l(wèi) ~2%產(chǎn)品尺寸不合格的小塊料和粉末料 及少量合成不完全的產(chǎn)品，釩是貴重稀缺的元素，故需重新回爐合成 回收，由于大容積合成器合成熱量的增力口，在50釩鐵配料中加入了 1 ~ 2%的惰性返回料，燃燒合成仍能順利進行，從而提高了原料的利用 率。
5、 此設備可用于生產(chǎn)40氮化釩鐵，50氮化釩鐵，60氮化釩鐵， 80氮化釩鐵，氮化鈦鐵，氮化硅鐵等氮化鐵合金。


圖l為本實用新型燃燒合成用高壓合成設備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

請參見圖l所示，本實用新型燃燒合成用高壓合成設備的結(jié)構(gòu)， 包含有高壓缸體l、高壓進氣管15、高壓閥18與卸壓閥17。本實用 新型的改進點在于該高壓缸體1的內(nèi)徑的范圍是300mm至350mm， 長度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升至150立升， 該高壓缸體1為一端密封另一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體1通過一端蓋 結(jié)構(gòu)3螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)3與高壓缸體的開口的密封通過等高度平移密封。具體來講，該高壓缸體1開口處設有高壓密封圈2， 該端蓋結(jié)構(gòu)3包含與高壓密封圈31相抵靠的該高壓密封圏2,該高 壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺塞32,該高壓螺塞32通過手輪 4旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過運行于軌道上的小車5承載，該小車5高度 可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)3通過小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸體開口等高，實 現(xiàn)平移密封。高壓密封塞31是平移進入高壓缸體1，所以，并未對 高壓密封圈2造成結(jié)構(gòu)上的磨損，使得高壓密封圈2的使用壽命提高 IO倍以上，大大節(jié)約了成本。
本燃燒合成用高壓合成設備高壓缸體1的材質(zhì)為合金鋼(16Mn 鋼)，該材質(zhì)的強度按材料在250。C時的強度計算的，冷卻水出水溫 度為50°C。在大量試驗的基礎上，為了降低設備的制造成本，將設 備的安全工作壓力降低至16Mpa,原30立升高壓合成器采用不銹鋼 材料是因為合成氮化鋁等氮化物陶瓷時，需加銨鹽做催化劑，會出現(xiàn) 設備腐蝕的問題，而本實用新型高壓合成器用于合成氮化釩鐵、氮化 鈦鐵、氮化硅鐵等則不存在此問題。
本實用新型最大改進之一在于將現(xiàn)有的30立升的容積結(jié)構(gòu)擴大 為85立升 150立升，此高壓合成設備的內(nèi)徑為300mm ~ 350mm， 長度為1350mm 1500mm。本實用新型高壓合成設備容積的擴大是 進行了充分的研究和試驗而得出的。 一些常見氮化物在絕熱條件下可 以達到的溫度為BN—3700K; HfN—5100K, ZrN—4900K， NbN— 3500K, Si3N4—4300K, A1N—2900K, VN—3500K，受快速反應溫 度劇升的影響，高壓缸體的壓力劇升，在設備擴大容積后，在單位時 間內(nèi)參加反應的物料更多，溫度上升的幅度更大，設備的安全問題尤 為突出，因此通過高壓安全閥自動卸壓和手動卸壓裝置來保證設備的 安全。我國高壓合成器的容量是逐漸擴大的，由最早的8立升，10 立升，20立升，最后到30立升，其高壓缸體的結(jié)構(gòu)為整體鍛件結(jié)構(gòu)。 考慮到溫度是在一個狹窄的燃燒波區(qū)內(nèi)，只要合成器的內(nèi)徑不變，在 同一截面內(nèi)合成料的量的變化也不大，其放出的熱量的變化也不會太 大，雖然爐料總量增加，但熱量通過冷卻爐壁帶走部分后，高壓缸體 內(nèi)的溫度不會升高很多。大量生產(chǎn)實踐證明，在增加合成器的長度后，由于合成器水冷散熱面積也增加了，高壓缸體1內(nèi)的溫度甚至還略微 下降。同時，由于合成反應是大量吸氮的反應，高壓爐體內(nèi)的壓力不 會因為爐體的內(nèi)徑增大而壓力增加，相反，大量的試驗表明，爐體內(nèi) 的壓力還會隨著反應的持續(xù)而下降，需要在反應的過程中補充氮氣。 因此，本實用新型高壓合成設備在上述研究成果下，將內(nèi)徑擴大到
300mm 350mm,長度擴大到1350mm ~1500mm。
為了更好的實現(xiàn)對溫度的控制，本實用新型燃燒合成用高壓合成 設備安裝了測量溫度的熱電耦7,該熱電偶7的測量數(shù)據(jù)可以反饋到 與高壓缸體鏈接的計算機操作盤上，使得操作者得以測定高壓氮氣及 高壓缸體在合成反應過程中的溫度變化，隨時掌握設備內(nèi)部溫度的參 數(shù)。
本實用新型將現(xiàn)有技術中的冷卻水套8的單進水口結(jié)構(gòu)改進為 雙進水口結(jié)構(gòu)，在高壓缸體1的兩端分別設有進水口 9，實現(xiàn)雙向水 流，加大了進入高壓缸體l內(nèi)冷卻水的流量，增強了水冷效果。在冷 卻水套的出水口 IO處配設有冷卻水溫報警器11,冷卻水溫報警器11 將冷卻水的溫度反饋計算機操作盤上，使得操作者直觀的了解冷卻水 的溫度。保證了水的冷卻效果。
本實用新型燃燒合成用高壓合成設備裝設高壓安全閥12，該高 壓安全閥12能夠自動控制高壓缸體1內(nèi)的壓力，當高壓缸體1內(nèi)的 壓力超過高壓安全閥12設定的承受壓力，該高壓安全閥12自動卸壓， 以保證設備在安全的壓力范圍內(nèi)進行合成反應。
本實用新型燃燒合成用高壓合成設備安裝有壓力傳感器19,該 壓力傳感器19將壓力值反饋到計算機操作盤上，使得操作者能夠詳 細了解設備內(nèi)反應過程中的壓力值。
本實用新型燃燒合成用高壓合成設備安裝有真空泵13，該真空 泵13連接真空表14及電磁真空放氣閥16。在化學反應前，通過真 空泵13將高壓缸體1內(nèi)抽為真空，然后通過高壓進氣管15，充入氮 氣，燃燒合成用高壓合成設備由帶點火的電極20引燃化學反應。合 成反應完成后，由卸壓閥17卸壓。
綜上所述，本實用新型提供一生產(chǎn)能力非常高的燃燒合成用高壓合成設備，因此，提出實用新型專利申請；然而所述僅為本實用新型 的較佳實施例而已，并非以此局限本實用新型，因此，凡一切與本實 用新型構(gòu)造、裝置、特征等近似、雷同的，皆應仍屬本實用新型的專 利申請保護的范圍之內(nèi)。
權利要求1、一種燃燒合成用高壓合成設備，包含有高壓缸體，高壓缸體具有冷卻水套，其特征在于該高壓缸體的內(nèi)徑的范圍是300mm至350mm，長度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升至150立升；該高壓缸體為一端密封另一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體通過一端蓋結(jié)構(gòu)螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)與高壓缸體的開口的密封通過等高度平移密封。
2、 如權利要求1所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體開口處設有高壓密封圈，該端蓋結(jié)構(gòu)包含與高壓密封圈相 抵靠的該高壓密封塞，該高壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺塞， 該高壓螺塞通過手輪旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過運行于軌道上的小車承 栽，該小車高度可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸體 開口等高，實現(xiàn)平移密封。
3、 如權利要求2所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體內(nèi)連^妄測溫熱電耦。
4、 如權利要求3所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體連接真空泵，該真空泵連接有真空表及電磁真空放氣閥。
5、 如權利要求4所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體連接有高壓安全閥。
6、 如權利要求5所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體連接有壓力傳感器。
7、 如權利要求6所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體的兩端設有進水口，冷卻水套為雙向水冷結(jié)構(gòu)，于該冷卻 水套的出水口處設有冷卻水溫報警器。
8、 如權利要求7所述的燃燒合成用高壓合成設備，其特征在于 該高壓缸體的材質(zhì)為16Mn鋼。
專利摘要本實用新型一種燃燒合成用高壓合成設備，包含有高壓缸體，高壓缸體具有冷卻水套，該高壓缸體的內(nèi)徑的范圍是300mm至350mm，長度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升至150立升；該高壓缸體為一端密封另一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體通過一端蓋結(jié)構(gòu)螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)與高壓缸體的開口的密封通過等高度平移密封，該高壓缸體開口處設有高壓密封圈，該端蓋結(jié)構(gòu)包含與高壓密封圈相抵靠的該高壓密封塞，該高壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺塞，該高壓螺塞通過手輪旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過運行于軌道上的小車承載，該小車高度可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸體開口等高，實現(xiàn)平移密封，此設備提高了生產(chǎn)能力。
文檔編號C22C1/04GK201232081SQ200820126490
公開日2009年5月6日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權日2008年7月3日
發(fā)明者劉克忠, 張伯鵬, 晉心翠, 王聲宏, 王朝暉 申請人:承德金科科技開發(fā)有限責任公司